Un mécanisme jusqu’alors inconnu d’auto-organisation de la matière active essentielle à la division cellulaire bactérienne suit la devise « mourir pour s’aligner » : les filaments mal alignés « meurent » spontanément pour former une structure en anneau au centre de la cellule en division. L’étude, dirigée par le groupe Šarić de l’Institut des sciences et technologies d’Autriche (ISTA), a été réalisée publié dans Physique de la natureCes travaux pourraient trouver des applications dans le développement de matériaux synthétiques auto-réparateurs.
Comment la matière, par définition inerte, s’auto-organise-t-elle et nous rend-elle vivants ? L’une des caractéristiques de la vie, l’auto-organisation, est la formation et la décomposition spontanées de matière biologique active. Cependant, alors que les molécules entrent et sortent constamment de la vie, on peut se demander comment elles « savent » où, quand et comment s’assembler, et quand s’arrêter et se désagréger.
Les chercheurs de l’Institut autrichien des sciences et technologies (ISTA), autour de la professeure Anđela Šarić et du doctorant Christian Vanhille Campos, se penchent sur ces questions dans le contexte de la division cellulaire bactérienne. Ils ont développé un modèle informatique pour l’assemblage d’une protéine appelée FtsZ, un exemple de matière active.
Lors de la division cellulaire, FtsZ s’auto-assemble en une structure annulaire au centre de la cellule bactérienne en division. Cet anneau FtsZ, appelé anneau de division bactérienne, s’est avéré aider à former une nouvelle « paroi » qui sépare les cellules filles. Cependant, les aspects physiques essentiels de l’auto-assemblage de FtsZ n’ont pas été expliqués à ce jour.
Aujourd’hui, les modélisateurs informatiques du groupe Šarić s’associent aux expérimentateurs du groupe de Séamus Holden à l’Université de Warwick, au Royaume-Uni, et du groupe de Martin Loose à l’ISTA pour révéler un mécanisme d’auto-assemblage inattendu. Leur travail informatique montre comment les filaments FtsZ mal alignés réagissent lorsqu’ils heurtent un obstacle.
En « mourant » et en se réassemblant, ils favorisent la formation de l’anneau de division bactérienne, une structure filamenteuse bien alignée. Ces résultats pourraient avoir des applications dans le développement de matériaux synthétiques auto-cicatrisants.
Mécanisme d’auto-organisation de FtsZ. La simulation informatique du tapis roulant FtsZ montre la mort des filaments mal alignés. Crédit : Christian Vanhille Campos, laboratoire Šarić, ISTA
Le tapis roulant, le pouvoir adaptatif du renouvellement moléculaire
La protéine FtsZ forme des filaments de protéines qui s’auto-assemblent en grandissant et en rétrécissant de manière continue. Ce processus, appelé « tapis roulant », consiste en l’ajout et le retrait constants de sous-unités aux extrémités opposées des filaments. Il a été démontré que plusieurs protéines se comportent en tapis roulant dans de multiples formes de vie, telles que les bactéries, les animaux ou les plantes.
Les scientifiques ont déjà considéré le tapis roulant comme une forme d’autopropulsion et l’ont modélisé comme des filaments qui se déplacent vers l’avant. Cependant, ces modèles ne parviennent pas à capturer le renouvellement constant des sous-unités et surestiment les forces générées par l’assemblage des filaments. Ainsi, Anđela Šarić et son équipe ont entrepris de modéliser la manière dont les sous-unités FtsZ interagissent et forment spontanément des filaments en faisant du tapis roulant.
« Dans nos cellules, tout est en constante évolution. Nous devons donc commencer à penser à la matière biologique active à partir du prisme du renouvellement moléculaire et d’une manière qui s’adapte à l’environnement extérieur », explique Šarić.
Auto-organisation de FtsZ : simulation et expérimentation. Simulation computationnelle et expérimentation par microscopie à force atomique (AFM) sur des assemblages in vitro. Crédit : Christian Vanhille Campos, laboratoire Šarić, avec une vidéo AFM de Philipp Radler, laboratoire Loose, ISTA
Filaments mortels : Mourir pour s’aligner
Ce qu’ils ont découvert est frappant. Contrairement aux assemblages autopropulsés qui poussent les molécules environnantes et créent une « bosse » ressentie à de longues distances moléculaires, ils ont constaté que les filaments FtsZ mal alignés commençaient à « mourir » lorsqu’ils heurtaient un obstacle.
« La matière active constituée de filaments mortels ne prend pas à la légère le désalignement. Lorsqu’un filament grandit et entre en collision avec des obstacles, il se dissout et meurt », explique le premier auteur Vanhille Campos.
Šarić ajoute : « Notre modèle démontre que les assemblages par tapis roulant conduisent à une guérison locale du matériau actif. Lorsque les filaments mal alignés meurent, ils contribuent à un meilleur assemblage global. »
En incorporant la géométrie cellulaire et la courbure des filaments dans leur modèle, ils ont montré comment la mort des filaments FtsZ mal alignés aidait à former l’anneau de division bactérienne.
Les filaments mourants créent un anneau de division bactérienne. Simulation informatique et imagerie de cellules vivantes chez la bactérie Bacillus subtilis. Crédit : Christian Vanhille Campos, laboratoire Šarić, ISTA, y compris des images de cellules vivantes par Kevin D. Whitley, laboratoire Holden
Recherches basées sur la théorie, confirmées par des collaborations avec des expérimentateurs
Motivés par les théories physiques des interactions moléculaires, Šarić et son équipe ont rapidement fait deux rencontres indépendantes avec des groupes expérimentaux qui ont contribué à confirmer leurs résultats. Lors d’une conférence diversifiée et multidisciplinaire intitulée « Physics Meets Biology », ils ont rencontré Holden, qui travaillait sur l’imagerie de la formation d’anneaux bactériens dans des cellules vivantes.
Lors de cette réunion, Holden a présenté des données expérimentales intéressantes montrant que la mort et la naissance des filaments FtsZ étaient essentielles à la formation de l’anneau de division. Cela suggérait que le tapis roulant avait un rôle crucial dans ce processus.
« Nous avons constaté avec satisfaction que les anneaux FtsZ dans nos simulations se comportaient de la même manière que les anneaux de division de Bacillus subtilis que l’équipe de Holden a imagés », explique Vanhille Campos.
Par un coup de chance similaire, le déménagement de l’University College London à l’ISTA a permis à Šarić et à son groupe de faire équipe avec Martin Loose, qui travaillait sur l’assemblage de filaments FtsZ dans une configuration expérimentale contrôlée in vitro. Ils ont constaté que les résultats in vitro correspondaient étroitement aux simulations et ont confirmé les résultats informatiques de l’équipe.
Soulignant l’esprit de coopération et la synergie entre les trois groupes, Šarić déclare : « Nous sortons tous de nos domaines de recherche habituels et allons au-delà de ce que nous faisons habituellement. Nous discutons et partageons ouvertement des données, des points de vue et des connaissances, ce qui nous permet de répondre à des questions que nous ne pouvons pas aborder séparément. »
Vers des matériaux synthétiques auto-réparateurs
L’auto-organisation de la matière, générée par l’énergie, est un processus fondamental en physique. L’équipe dirigée par Šarić suggère désormais que les filaments FtsZ sont un autre type de matière active qui investit de l’énergie dans le renouvellement plutôt que dans la motilité.
« Dans mon groupe, nous nous interrogeons sur la manière de créer de la matière vivante à partir de matériaux inertes qui semblent vivants. Ainsi, nos travaux actuels pourraient faciliter la création de matériaux synthétiques auto-réparateurs ou de cellules synthétiques », explique Šarić.
Dans une prochaine étape, Šarić et son équipe cherchent à modéliser comment l’anneau de division bactérienne aide à construire une paroi qui divisera la cellule en deux.
Plus d’informations :
Auto-organisation des filaments mortels et son rôle dans la formation des anneaux de division bactérienne, Physique de la nature (2024). DOI : 10.1038/s41567-024-02597-8